不同水位下渭北黃土臺(tái)塬水庫(kù)岸坡塌岸模型試驗(yàn)

李?；?馬學(xué)通 高德彬 李征征 李萍 李同錄

摘 要：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查渭北黃土臺(tái)塬大北溝水庫(kù)岸坡塌岸形態(tài)，并通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)不同水位條件下的直立型黃土岸坡的塌岸特征、形態(tài)開(kāi)展了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，岸坡高度相同時(shí)，塌岸寬度與水位成正比，且水位越高塌岸頻次越多、時(shí)間間隔越短、塌岸越劇烈。同時(shí)，岸坡塌岸后的水上岸坡存在直立段，水下岸坡呈曲線形，這與圖解法的直線形存在一定的差異。另外，水下岸坡坡角隨著與坡腳距離不同而差異較大，但遠(yuǎn)離坡腳處的水下岸坡角度基本相同，綜合確定出水下綜合穩(wěn)定坡角為１６°～１８°。

關(guān)鍵詞：黃土臺(tái)塬；水庫(kù)；岸坡塌岸；模型試驗(yàn)；水下坡角

中圖分類號(hào)： ＴＶ６９７．２３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２８

引用格式：李?；ⅲR學(xué)通，高德彬，等．不同水位下渭北黃土臺(tái)塬水庫(kù)岸坡塌岸模型試驗(yàn)［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（７）：１５２－１５６．

０ 引言

黃土地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水庫(kù)塌岸的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致水土流失，對(duì)庫(kù)區(qū)自然生態(tài)環(huán)境造成不良影響，如三門(mén)峽水庫(kù)最大塌岸寬度達(dá)到了９５０ ｍ，塌岸方量９．２３ 億ｍ３，造成庫(kù)區(qū)嚴(yán)重的水土流失與淤積，因此黃土地區(qū)塌岸研究對(duì)庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義［１］ 。濮聲榮［２］ 對(duì)黃土岸坡的塌岸特征進(jìn)行了總結(jié)，將岸坡分為堆積岸坡、磨蝕岸坡和磨蝕堆積岸坡３ 類，并對(duì)各類塌岸岸坡的分布及不同巖土類型岸坡的穩(wěn)定坡角進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。呂占彪等［３］ 調(diào)查發(fā)現(xiàn)小浪底水庫(kù)不同時(shí)期塌岸影響因素存在差異，秋季以水流側(cè)向侵蝕為主，其余時(shí)間則為蓄水；在考慮岸坡塌岸特征的基礎(chǔ)上，用卡丘金法計(jì)算了岸坡的塌岸寬度。李永樂(lè)［４］ 指出黃土塌岸的主要影響因素包括地質(zhì)環(huán)境條件和水力條件的變化，黃土塬岸坡塌岸劇烈，而一級(jí)階地塌岸則相對(duì)較少。陳思明等［５］ 則認(rèn)為黃土岸坡塌岸主要是水的作用導(dǎo)致的，庫(kù)水位下降時(shí)塌岸劇烈。郭凱等［６－７］ 根據(jù)岸坡土體性質(zhì)將岸坡分為離石黃土岸坡和重力堆積體岸坡兩類，并通過(guò)原位浸水試驗(yàn)分析指出兩者水下穩(wěn)定坡角存在差異。樊曉明［８］ 指出黃土地區(qū)中小型水庫(kù)受風(fēng)浪作用影響較小，且運(yùn)行水位較為穩(wěn)定，塌岸主要是庫(kù)水通過(guò)物理化學(xué)作用使岸坡巖土體的強(qiáng)度降低導(dǎo)致的。岳永峰等［９］ 根據(jù)涇河岸坡發(fā)育特征對(duì)卡丘金法進(jìn)行改進(jìn)，有效提高了塌岸的預(yù)測(cè)精度。王春永［１０］ 通過(guò)對(duì)王圪堵水庫(kù)的調(diào)查指出陜北黃土岸坡后緣存在一定高度的直立岸坡。除此以外，還有部分學(xué)者對(duì)庫(kù)區(qū)滲流場(chǎng)進(jìn)行研究， 如： 劉曉光等［１１］ 采用Ｍｏｄｆｌｏｗ 對(duì)庫(kù)區(qū)地下水位進(jìn)行了模擬，指出地下水位變化的滯后性主要與岸坡距離、滲透系數(shù)、給水度有關(guān)，降雨蒸發(fā)對(duì)其影響較?。煌踔竞疲郏保玻?、卿菁等［１３］ 研究指出岸坡滲流的滯后性對(duì)岸坡穩(wěn)定性具有一定影響。

目前針對(duì)黃土岸坡塌岸預(yù)測(cè)主要采用圖解法進(jìn)行，關(guān)于塌岸的主要影響因素、滲流場(chǎng)等有一些研究成果，而關(guān)于不同水位的岸坡塌岸特征、動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)的研究相對(duì)較少。基于此，筆者以渭北黃土臺(tái)塬寶雞峽灌區(qū)大北溝水庫(kù)岸坡為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查水庫(kù)不同位置直立岸坡的塌岸形態(tài)，借助物理模型試驗(yàn)對(duì)不同水位下直立岸坡塌岸的發(fā)生發(fā)展及最終穩(wěn)定形態(tài)進(jìn)行研究，以期為黃土臺(tái)塬區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件相同或相似的水庫(kù)治理塌岸及修復(fù)生態(tài)環(huán)境提供參考。

１ 大北溝水庫(kù)環(huán)境地質(zhì)條件及岸坡塌岸特征

大北溝水庫(kù)地處關(guān)中盆地西北部的渭北黃土臺(tái)塬地區(qū)渭河支流莫谷河下游，行政區(qū)劃屬陜西省乾縣。該水庫(kù)由莫谷河截流形成，水庫(kù)沿黃土塬間溝壑展布，整體呈Ｖ 形（見(jiàn)圖１），回水長(zhǎng)度約４．５ ｋｍ，最大水深３１．０ ｍ，有效庫(kù)容約為３ ０２５ 萬(wàn)ｍ３。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，岸坡土體主要為第四系風(fēng)積黃土，抗沖刷能力差，在庫(kù)水作用下易發(fā)生變形破壞，塌岸現(xiàn)象嚴(yán)重（見(jiàn)圖２）。

２ 材料和方法

２．１ 試驗(yàn)材料

室內(nèi)物理模型試驗(yàn)的模型箱為長(zhǎng)方體， 長(zhǎng)度１４０ ｃｍ、高度８０ ｃｍ、寬度５０ ｃｍ，選取剛度大且質(zhì)量較輕的亞克力材料制作（厚度０．５ ｃｍ）。為了方便進(jìn)出水，模型箱設(shè)置對(duì)稱的進(jìn)出水孔，且用閥門(mén)控制，孔中心與模型箱底部和側(cè)邊的距離均為５．０ ｃｍ，孔徑２．０ｃｍ。模型箱構(gòu)造見(jiàn)圖３。

模型箱填筑的黃土取自大北溝水庫(kù)岸坡上部的擾動(dòng)黃土，通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)確定黃土的液限、塑限及壓實(shí)性控制指標(biāo)（見(jiàn)表１）。同時(shí)，采用Ｂｅｔｔｅｒｓｉｚｅ ２０００ 型激光粒度分布儀對(duì)其進(jìn)行粒度分析，其粒徑分布曲線見(jiàn)圖４。

２．２ 試驗(yàn)方案

為了研究水庫(kù)不同位置的岸坡塌岸特征，設(shè)置了３ 種不同的水位，即１５、４０、６５ ｃｍ，分別對(duì)應(yīng)水庫(kù)上游、中游與下游（大壩附近）水位?？紤]到高水位塌岸寬度較大，試驗(yàn)時(shí)增加了岸坡模型填筑的寬度。模型填筑的壓實(shí)黃土壓實(shí)度指標(biāo)為０．８，接近于岸坡黃土的天然密實(shí)度。模型填筑黃土控制指標(biāo)及試驗(yàn)方案見(jiàn)表２。岸坡填筑完成后靜置４８ ｈ，以使其達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)以１５ ｃｍ３ ／ ｓ 的流量向模型箱內(nèi)注水，達(dá)到預(yù)定水位后進(jìn)行試驗(yàn)觀察，記錄岸坡變形破壞過(guò)程及塌岸穩(wěn)定后的最終寬度與形態(tài)特征。

３ 試驗(yàn)結(jié)果及討論

方案１ 模型試驗(yàn)（水位１５ ｃｍ）的塌岸發(fā)生發(fā)展過(guò)程見(jiàn)圖５。在加水過(guò)程中，水下岸坡坡面出現(xiàn)少量溜土。試驗(yàn)進(jìn)行４ ｈ 時(shí)，岸坡出現(xiàn)第１ 次塌岸，塌岸高度約４０ ｃｍ、寬度約５ ｃｍ。岸坡臨水面出現(xiàn)明顯的裂縫，水面以上岸坡出現(xiàn)沖蝕龕。第２ 次塌岸出現(xiàn)在１１ ｈ時(shí)，塌岸邊界明顯上移，高度達(dá)到了６０ ｃｍ，塌岸寬度１０～１５ ｃｍ，且在岸坡臨水面出現(xiàn)新的裂縫，沖蝕龕進(jìn)一步擴(kuò)大，部分被塌岸土體掩埋。第３ 次塌岸發(fā)生于４ ｄ 時(shí)，之后岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。最終塌岸寬度約１５ｃｍ，沖蝕龕被塌岸土體完全掩埋，同時(shí)滲流作用使得模型水位出現(xiàn)下降。

由模型坡上部可以觀察到岸坡穩(wěn)定時(shí)坡面線為曲線，而從模型側(cè)面可以觀察到，岸坡上部呈近似直立狀，而水下部分呈曲線形。水下堆積岸坡長(zhǎng)度達(dá)６０ ｃｍ。同時(shí)，水下堆積體角度測(cè)量結(jié)果顯示，靠近坡腳附近穩(wěn)定坡角為１８°～２０°，遠(yuǎn)離坡腳的穩(wěn)定坡角為８°～１２°。水下綜合坡角為１６°～１８°，這與濮聲榮［２］ 統(tǒng)計(jì)的結(jié)果基本一致。

方案２ 模型試驗(yàn)（水位４０ ｃｍ）的塌岸發(fā)生發(fā)展過(guò)程見(jiàn)圖６。

方案２ 模型試驗(yàn)共發(fā)生５ 次塌岸：第１ 次塌岸發(fā)生于試驗(yàn)開(kāi)始后２ ｈ，塌岸位置位于水下，由于水體渾濁，因此僅能從側(cè)面進(jìn)行觀察，塌岸高度約為４０ ｃｍ、寬度為３ ｃｍ，全部塌岸部分位于水下。第２ 次塌岸發(fā)生于５．５ ｈ 時(shí)，塌岸寬度１０ ｃｍ，塌岸高度沒(méi)有明顯變化，此時(shí)可以觀察到水下岸坡呈曲線形。第３ 次塌岸發(fā)生于１８ ｈ 時(shí)，塌岸寬度為１７ ｃｍ，高度擴(kuò)大至５０ ｃｍ，此時(shí)塌岸有部分露出水面，可以觀察到水位附近出現(xiàn)沖蝕龕，且坡頂出現(xiàn)了一條裂縫。第４ 次塌岸發(fā)生在３ ｄ時(shí)，塌岸高度擴(kuò)大至６０ ｃｍ，其他沒(méi)有變化。第５ 次崩塌發(fā)生在４ ｄ 時(shí)，塌岸寬度約３５ ｃｍ，沖蝕龕被塌岸土體掩埋，之后岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。由模型坡上部可以觀察到塌岸后坡面線呈曲線形，從模型側(cè)面可以觀察到岸坡上部呈近似直立狀，而水下部分呈曲線形，水下沉積物的長(zhǎng)度超過(guò)１１０ ｃｍ。同時(shí)，水下堆積體角度測(cè)量顯示，靠近坡腳附近穩(wěn)定角為２５°～３０°，遠(yuǎn)離坡腳的穩(wěn)定角為８°～１２°，水下綜合坡角為１６°～１８°。

方案３ 模型試驗(yàn)（水位６５ ｃｍ）的塌岸發(fā)生發(fā)展過(guò)程見(jiàn)圖７。在此次模型試驗(yàn)中，共發(fā)生了６ 次塌岸：第１ 次塌岸發(fā)生于試驗(yàn)開(kāi)始后３０ ｍｉｎ，塌岸寬度約為５ｃｍ，越靠近岸坡底部塌岸寬度越小。同時(shí)，塌落土體在水下形成了曲線形堆積岸坡，對(duì)水下岸坡起到了一定的保護(hù)作用。第２ 次塌岸發(fā)生在１．５ ｈ 時(shí)，塌岸寬度達(dá)到了１０ ｃｍ，同時(shí)形成了新的沖蝕龕，水下堆積岸坡仍為曲線形。第３ 次塌岸發(fā)生在３ ｈ 時(shí)，塌岸寬度約為１５ ｃｍ，岸坡形態(tài)輪廓基本無(wú)變化。第４ 次塌岸發(fā)生于５ ｈ 時(shí)，塌岸寬度達(dá)到了２５ ｃｍ，在水位以上岸坡為直立狀態(tài)，水下原始岸坡仍存在較大角度，水下堆積岸坡角度則較小，且延展長(zhǎng)度和厚度不斷增大。第５次塌岸發(fā)生在１０ ｈ 時(shí)，塌岸寬度達(dá)到了４０ ｃｍ，水下岸坡完全被塌落土體掩埋，水下岸坡剖面角度為堆積物的角度。第６ 次塌岸發(fā)生在１３ ｈ 時(shí)，塌岸寬度約５０ ｃｍ，水上岸坡仍為直立狀，岸坡后緣與模型箱脫開(kāi)，但未發(fā)生滑塌，之后岸坡一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，直至試驗(yàn)結(jié)束。同時(shí)，水下堆積體角度測(cè)量結(jié)果顯示，靠近坡腳附近穩(wěn)定角為３０° ～ ３５°，遠(yuǎn)離坡腳的穩(wěn)定角為８° ～１５°，水下綜合坡角為１６° ～１８°。值得指出的是，在試驗(yàn)結(jié)束后排水過(guò)程中又一次發(fā)生塌岸，水上岸坡完全滑落至水面以下。

表３ 為模型試驗(yàn)所得塌岸結(jié)果及不同位置岸坡穩(wěn)定角度?？梢钥闯觯辉礁?，塌岸次數(shù)越多，塌岸寬度越大。同時(shí)，不同水位條件下水上岸坡的穩(wěn)定角度均為９０°，而水下堆積岸坡在遠(yuǎn)離坡腳處的角度基本一致，但坡腳處的穩(wěn)定角度隨著水位的升高而增大。不同水位條件下的水下綜合坡角均為１６° ～１８°，這一結(jié)果與目前黃土地區(qū)塌岸預(yù)測(cè)所采用的水下穩(wěn)定角度基本一致，說(shuō)明圖解法雖然對(duì)水下岸坡形態(tài)描述不準(zhǔn)確，但其水下穩(wěn)定角的選取是合理的。

將不同水位的塌岸寬度與浸水時(shí)間、水位與最終塌岸寬度的關(guān)系繪制成圖，見(jiàn)圖８、圖９。

由圖８ 可以看出，模型水位越高，最終塌岸寬度越大。同時(shí)水位越高，模型塌岸發(fā)生的頻次越多、時(shí)間間隔越短、塌岸越劇烈。由圖９ 可知，水庫(kù)岸坡的塌岸寬度與庫(kù)水位為線性關(guān)系，這與水庫(kù)下游（大壩附近）寬度明顯大于中、上游區(qū)域的現(xiàn)象一致。

４ 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查渭北黃土臺(tái)塬大北溝水庫(kù)不同位置岸坡塌岸形態(tài)，并借助物理模型試驗(yàn)對(duì)不同水位下直立黃土岸坡的塌岸過(guò)程、塌岸形態(tài)及水下穩(wěn)定坡角等進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論。

１）水位越高，岸坡最終塌岸的寬度越大，且最終塌岸寬度與水位呈線性關(guān)系。同時(shí)，庫(kù)水位越高，其岸坡塌岸發(fā)生的頻次越多、時(shí)間間隔縮短、塌岸越劇烈。

２）黃土岸坡發(fā)生塌岸后，存在一定高度的水上直立岸坡，而水下岸坡形態(tài)呈曲線形。因此，選用圖解法對(duì)直立黃土岸坡進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)考慮水位和岸坡高度，并對(duì)圖解法進(jìn)行相應(yīng)的修正，保證塌岸預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

３）水下岸坡坡角隨著與坡腳距離的不同而差異較大，遠(yuǎn)離坡腳處的水下岸坡角度基本相同，水下綜合穩(wěn)定角為１６°～１８°，這與文獻(xiàn)［２］統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致，表明黃土塌岸預(yù)測(cè)時(shí)水下穩(wěn)定綜合坡角參數(shù)選取是合理的。

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